計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) chap5設(shè)備管理

第5章設(shè)備管理

設(shè)備管理是操作系統(tǒng)中最繁雜且與硬件關(guān)系最密切的部分。通過本章學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)該掌握以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸方式中斷技術(shù)緩沖技術(shù)設(shè)備分配技術(shù)設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備驅(qū)動(dòng)1/11/20235.1.I/O系統(tǒng)5.2.I/O控制方式

5.3.緩沖管理

5.4.I/O軟件5.5.設(shè)備分配5.6.磁盤存儲(chǔ)器的管理1/11/2023設(shè)備管理的目標(biāo)

根據(jù)設(shè)備請求的情況，按照一定的算法，選擇和分配輸入輸出設(shè)備以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作；控制輸入輸入設(shè)備和CPU或內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)，同時(shí)提高設(shè)備和設(shè)備之間、CPU和設(shè)備之間，以及進(jìn)程和進(jìn)程之間的并行操作度，以使操作系統(tǒng)獲得最佳效率；為用戶提供一個(gè)友好的透明接口，把用戶和設(shè)備硬件特性分開，使得用戶在編制應(yīng)用程序時(shí)不必涉及具體設(shè)備，系統(tǒng)按用戶要求控制設(shè)備工作。1/11/2023設(shè)備管理功能設(shè)備分配與回收緩沖管理設(shè)備處理虛擬設(shè)備1/11/20235．1．1I/O設(shè)備

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外圍設(shè)備包括：顯示器、鍵盤、紙帶閱讀器、紙帶穿孔機(jī)、打印機(jī)、磁帶、磁盤、光盤、激光打印機(jī)、繪圖儀、圖形數(shù)字化儀、鼠標(biāo)器、聲音輸入、聲音輸出設(shè)備以及辦公自動(dòng)化設(shè)備等等，種類相當(dāng)繁多，可從不同的角度對它們進(jìn)行分類。

5.1I/O系統(tǒng)1/11/2023系統(tǒng)設(shè)備：在操作系統(tǒng)生成時(shí)已配置好的的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。如：鍵盤、顯示器、打印機(jī)、磁盤等。用戶設(shè)備：指系統(tǒng)設(shè)備之外的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，一般由用戶提供設(shè)備及其處理程序，并通過適當(dāng)?shù)氖侄伟阉鼈兗{入系統(tǒng)中，由系統(tǒng)實(shí)施管理。如：網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、繪圖儀等。1．設(shè)備的從屬關(guān)系分類1/11/2023塊設(shè)備：指以數(shù)據(jù)塊為單位存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備如磁盤、磁帶等。字符設(shè)備：指以單個(gè)字符為單位來傳送信息的設(shè)備。如鍵盤、顯示器、打印機(jī)等。2．設(shè)備中的信息交換單位方式分類1/11/2023存儲(chǔ)設(shè)備：它是計(jì)算機(jī)用來存儲(chǔ)永久性信息的設(shè)備如，磁帶、磁盤（軟盤、硬盤）、光盤等。輸入設(shè)備：將外部信息送給計(jì)算機(jī)的設(shè)備。如，鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、手寫筆、數(shù)碼相機(jī)、麥克風(fēng)、游戲手柄等輸出設(shè)備：將計(jì)算機(jī)加工后的信息傳送給外界的設(shè)備。

如，顯示器、打印機(jī)、投影儀等。3．按設(shè)備的使用特性分類1/11/2023獨(dú)占設(shè)備:這類設(shè)備在用戶作業(yè)的整個(gè)運(yùn)行期間必須為此用戶所占有，即多個(gè)作業(yè)對某一外設(shè)的訪問應(yīng)該是互斥的，一旦系統(tǒng)將這類設(shè)備分配給某個(gè)作業(yè)，便由該設(shè)備獨(dú)占，直至釋放該資源。大多數(shù)低速I/O設(shè)備，如用戶終端、打印機(jī)等共享設(shè)備:指在同一時(shí)間段內(nèi)可以同時(shí)讓幾個(gè)作業(yè)使用的設(shè)備，當(dāng)然，在某一時(shí)刻，該設(shè)備只能為一個(gè)作業(yè)服務(wù)。適應(yīng)于高速設(shè)備，如磁盤虛擬設(shè)備:根據(jù)設(shè)備的使用性質(zhì)來決定一臺(tái)設(shè)備可以分給幾個(gè)進(jìn)程以提高該設(shè)備的使用率。如虛擬打印機(jī)4．按資源分配的角度分類1/11/20231、按（）分類可將設(shè)備分為塊設(shè)備和字符設(shè)備。A.從屬關(guān)系B.操作特性C.共享屬性D.信息交換單位2、大多數(shù)低速設(shè)備都屬于（）設(shè)備。A．獨(dú)占B．共享C．虛擬D．Spooling3、從資源分配的角度看，可以把設(shè)備分為獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備，打印機(jī)屬于________設(shè)備,而磁盤屬于__________設(shè)備。1/11/2023

5.1.2設(shè)備控制器1.設(shè)備控制器的概念

設(shè)備控制器是CPU與外圍設(shè)備之間的接口，是一個(gè)可編址設(shè)備，每一個(gè)地址對應(yīng)一個(gè)設(shè)備。它接收從CPU發(fā)來的命令，并去控制輸入輸出設(shè)備的工作，使CPU從繁雜的設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來，提高CPU的使用效率。1/11/20232.作用：接收從CPU發(fā)來的命令，控制I/O設(shè)備工作3.功能：接收和識別命令數(shù)據(jù)交換地址識別標(biāo)識和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)差錯(cuò)控制1/11/20234.設(shè)備控制器的組成

（1）.設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口（2）.設(shè)備控制器與設(shè)備的接口（3）.I/O邏輯1/11/2023I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)CPU磁盤控制器存儲(chǔ)器打印機(jī)控制器其他控制器一、微型機(jī)I/O系統(tǒng)：總線結(jié)構(gòu)磁盤驅(qū)動(dòng)器打印機(jī)1/11/2023二、主機(jī)系統(tǒng)輸入輸出結(jié)構(gòu)

當(dāng)主機(jī)所配置的輸入輸出設(shè)備較多時(shí)，特別是配有較多的高速外設(shè)時(shí)，采用總線型輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)加重CPU與總線的負(fù)擔(dān)。因此，在這樣的輸入輸出系統(tǒng)中不宜采用單總線結(jié)構(gòu)，而是增加一級輸入輸出通道，用來代替CPU與各設(shè)備控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對控制器的控制。1/11/2023

1/11/20235.1.3I/O通道1、通道的引入

為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，就要使CPU擺脫繁忙的I/O事務(wù)，而配置專門處理I/O事務(wù)的機(jī)構(gòu)——通道。

通道的引入是為了建立獨(dú)立的I/O操作。它不僅要求數(shù)據(jù)傳送獨(dú)立于CPU，而且要求I/O操作的組織、管理、結(jié)束等也盡量獨(dú)立，以保證CPU有更多的時(shí)間從事計(jì)算。這樣就可以實(shí)現(xiàn)CPU計(jì)算和I/O操作的并行工作。1/11/2023思考題一

什么是通道？通道有哪些類型？1/11/20232、I/O通道概念

通道是一種硬件機(jī)構(gòu)，又稱I/O處理機(jī)。輸入輸出通道是指專門負(fù)責(zé)輸入輸出工作的處理器。它有自己的指令系統(tǒng)（包含數(shù)據(jù)傳送指令和設(shè)備控制指令），獨(dú)立執(zhí)行自己的通道程序來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而使系統(tǒng)獲得CPU與外設(shè)并行處理的能力。1/11/20233、通道的類型

根據(jù)信息交換方式的不同，可把通道分成字節(jié)多路通道、數(shù)組多路通道和選擇通道三種。（1）字節(jié)多路通道

通常都含有許多非分配型子通道，其數(shù)量可以從幾十到數(shù)百個(gè)，每一個(gè)子通道連接一臺(tái)輸入輸出設(shè)備，這些子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。

字節(jié)多路通道連接低速或中速設(shè)備時(shí)，不會(huì)丟失信息。1/11/2023

選擇通道的數(shù)據(jù)傳送是按成批的方式進(jìn)行的，故傳送速率很高。（2）數(shù)據(jù)選擇通道選擇通道

它適用于連接高速I/O設(shè)備，如磁帶、磁盤等。選擇通道只有一個(gè)分配型子通道，即這個(gè)子通道可以連接多臺(tái)設(shè)備，但每次只能把子通道分配給一臺(tái)設(shè)備使用。一旦分配給某臺(tái)設(shè)備，子通道就被它獨(dú)占，即使暫時(shí)出現(xiàn)空閑，也不允許其他設(shè)備利用該子通道。直到它被釋放，再選擇另一臺(tái)設(shè)備為其服務(wù)。因此選擇通道的利用率是很低的。1/11/2023

這種通道綜合了字節(jié)多路通道分時(shí)并行工作和選擇通道傳輸速率高的特點(diǎn)。它具有多個(gè)非分配型子通道，每個(gè)子通道連接一臺(tái)中、高速I/O設(shè)備，如：磁帶、磁鼓、磁盤等，因而通道所連接的幾個(gè)設(shè)備可以并行工作。

數(shù)組多路通道技術(shù)相當(dāng)于通道程序的多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)。（3）數(shù)組多路通道1/11/2023CPU字節(jié)多路通道

打印機(jī)1打印機(jī)2I/O控制器

I/O控制器

內(nèi)存

選擇通道成組多路通道

磁盤

I/O控制器

磁盤

I/O控制器

I/O控制器I/O控制器

磁帶

磁帶

存在這三種通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各硬件的連接關(guān)系如圖所示：1/11/2023思考題二設(shè)備管理中，什么是“瓶頸”現(xiàn)象？如何解決？1/11/2023

通道命令和通道程序

通道有自己的指令系統(tǒng)，為了與CPU的指令相區(qū)別，通道的指令被稱為“通道命令字”。通道命令字條數(shù)不多，主要涉及控制、轉(zhuǎn)移、讀、寫及查詢等功能。0783132474863每條通道命令由四個(gè)字段組成：(1)操作碼(0～7)：表示通道要執(zhí)行的命令；(2)數(shù)據(jù)主存始址：表示本命令要訪問的主存數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址；(3)特征位(32～47，只使用了32～36位，其余未用)：37～39位必須置0，否則認(rèn)為通道命令錯(cuò)。1/11/2023

通道程序存放在內(nèi)存中，由I/O指令啟動(dòng)執(zhí)行。用戶請求I/O時(shí)，CPU對通道的通信是向通道發(fā)出查詢、啟動(dòng)和停止通道程序工作，而通道向CPU的通信則采用中斷方式。其執(zhí)行過程如圖所示。1/11/2023用戶I/O請求

查詢設(shè)備忙閑？

調(diào)用通道程序

執(zhí)行通道程序

I/O操作完成，發(fā)中斷請求

CPU響應(yīng)中斷，進(jìn)行結(jié)束處理

以I/O指令啟動(dòng)通道結(jié)束通道工作

進(jìn)入設(shè)備請求隊(duì)列，等待忙不忙

通道程序的執(zhí)行過程

1/11/20235、通道工作過程（1）當(dāng)進(jìn)程有I/O請求時(shí)，系統(tǒng)首先查詢設(shè)備狀態(tài)。若忙，進(jìn)程進(jìn)入設(shè)備請求隊(duì)列等待；若閑，CPU發(fā)指令指明I/O操作、設(shè)備號和對應(yīng)通道。（2）對應(yīng)通道收到CPU發(fā)來的啟動(dòng)指令后，讀出內(nèi)存中的通道指令程序、設(shè)置對應(yīng)設(shè)備的控制狀態(tài)寄存器的初值。（3）設(shè)備按通道指令的求，把數(shù)據(jù)送往內(nèi)存指定區(qū)域。（4）若傳送結(jié)束，I/O控制器通過中斷請求線發(fā)中斷信號請求CPU做中斷處理。（5）中斷處理結(jié)束后，CPU返回到被中斷進(jìn)程處繼續(xù)執(zhí)行。（6）當(dāng)進(jìn)程調(diào)度程序選中這個(gè)已得到數(shù)據(jù)的進(jìn)程后，才能進(jìn)行加工處理。1/11/2023思考題三通道的作用是什么？

通道是一個(gè)獨(dú)立于CPU的專管輸入/輸出控制的處理器，它控制內(nèi)存與外部設(shè)備直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

它有自己的通道指令，這些通道指令受CPU啟動(dòng)，并在操作結(jié)束時(shí)向CPU發(fā)中斷信號。

通道方式進(jìn)一步減輕了CPU的工作負(fù)擔(dān)，增加了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行工作程度。1/11/20235.1.4總線系統(tǒng)1、總線基本概念

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種子系統(tǒng)，如CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備等之間，構(gòu)建公用的信號或數(shù)據(jù)傳輸通道這種可共享的傳輸通道稱為總線。1/11/20232、總線的分類1/11/2023當(dāng)用戶進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用提出I/O請求時(shí)，從系統(tǒng)響應(yīng)此請求開始，至系統(tǒng)完成用戶要求的I/O操作，并喚醒相應(yīng)的等待I/O完成的進(jìn)程為止，這整個(gè)過程稱為I/O控制過程。5．2I/O控制方式1/11/2023I/O控制過程包括以下步驟：（1）響應(yīng)I/O請求，為在具體物理設(shè)備上進(jìn)行I/O操作做準(zhǔn)備。包括將邏輯設(shè)備名轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備名（設(shè)備分配）、I/O請求的合法性等。（2）設(shè)備驅(qū)動(dòng)，控制設(shè)備完成I/O操作，對每類設(shè)備分別設(shè)置不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。（3）中斷處理，I/O操作完成之后，設(shè)備控制器向CPU發(fā)送中斷信號，CPU響應(yīng)后轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行善后處理。1/11/2023I/O操作的控制方式一般有四種：查詢方式中斷方式直接內(nèi)存存取方式通道方式

它們的主要差別在于處理器和外設(shè)并行工作的方式和程度的不同。1/11/2023查詢方式是最簡單的I/O控制方式。在設(shè)備控制器中有兩個(gè)寄存器，一個(gè)是狀態(tài)寄存器，由其中的一個(gè)狀態(tài)位的值反映設(shè)備的忙或閑；另一個(gè)是數(shù)據(jù)緩沖寄存器。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，狀態(tài)寄存器的啟動(dòng)位為1，此時(shí)外設(shè)把數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，并將狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位置1。CPU執(zhí)行完一條指令后就測試狀態(tài)位，如果為1，就把數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)取到內(nèi)存；若狀態(tài)位為0，則再測試，直到狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位為1，然后再讀取數(shù)據(jù)。所以此種方式也稱循環(huán)測試I/O方式5．2．1查詢方式1/11/2023就緒向設(shè)備控制器發(fā)讀命令讀設(shè)備控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)從設(shè)備控制器中讀入字向存儲(chǔ)器中寫字傳送完成CPU->I/OCPU->內(nèi)存I/O->CPU出錯(cuò)I/O->CPU完成下條指令未完成未就緒1/11/2023步驟：

(1)當(dāng)用戶需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，由處理器向設(shè)備控制器發(fā)出一條輸入輸出指令，啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行輸入(2)當(dāng)用戶進(jìn)程需要向設(shè)備輸出數(shù)據(jù)時(shí)，也必須同樣發(fā)出啟動(dòng)命令啟動(dòng)設(shè)備輸出，并等待輸出操作完成。特點(diǎn)：

工作過程簡單，CPU的利用率低。在要求不高的場合下常被采用，而且不能支持多道程序。程序直接控制方式適用于早期的無中斷的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1/11/2023

查詢方式是主機(jī)向外設(shè)詢問，而引入中斷后，每當(dāng)設(shè)備完成I/O操作，它便以中斷請求方式主動(dòng)向CPU匯報(bào)。因此，CPU一旦啟動(dòng)I/O設(shè)備后便可轉(zhuǎn)去處理其他程序，僅在接到I/O中斷信息請求時(shí)才花費(fèi)極少時(shí)間去處理。

5．2．2中斷方式1/11/20231、中斷概念

所謂中斷，是指處理機(jī)在執(zhí)行進(jìn)程的過程中,由于某些事件的出現(xiàn),中止當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行,轉(zhuǎn)而去處理出現(xiàn)的事件,待處理完畢后返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度其他進(jìn)程執(zhí)行。2、中斷源

引起中斷的事件稱為中斷源。（1）強(qiáng)迫性中斷源硬件故障、程序性錯(cuò)誤、外部事件、I/O中斷事件（2）自愿性中斷源1/11/20233、步驟（1）進(jìn)程需要數(shù)據(jù)時(shí)，將允許啟動(dòng)和允許中斷的控制字寫入設(shè)備控制狀態(tài)寄存器中，啟動(dòng)該設(shè)備進(jìn)行輸入操作。（2）該進(jìn)程放棄處理機(jī)，等待輸入的完成。操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他就緒進(jìn)程占用處理機(jī)。（3）當(dāng)輸入完成時(shí)，輸入設(shè)備通過中斷請求線向CPU發(fā)出中斷請求信號。CPU在接收到中斷信號之后，轉(zhuǎn)向中斷處理程序。（4）中斷處理程序首先保護(hù)現(xiàn)場，然后把輸入緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到某一特定單元中去，同時(shí)將等待輸入完成的那個(gè)進(jìn)程喚醒，進(jìn)入就緒狀態(tài)，最后恢復(fù)現(xiàn)場，并返回到被中斷的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。（5）在以后的某一時(shí)刻，操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度程序選中提出的請求并得到獲取數(shù)據(jù)的進(jìn)程，該進(jìn)程從約定的內(nèi)存特定單元中取出數(shù)據(jù)繼續(xù)工作1/11/2023向設(shè)備控制器發(fā)讀命令讀設(shè)備控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)從設(shè)備控制器中讀入字向存儲(chǔ)器中寫字傳送完成完成下條指令CPU->I/OCPU->內(nèi)存I/O->CPU出錯(cuò)I/O->CPU未完成CPU做其他中斷1/11/2023例如，打印機(jī)每打一行需要60ms，在查詢方式中，大約有59.99ms，CPU都處于循環(huán)等待中，而以中斷方式處理的話，CPU僅花費(fèi)0.1ms時(shí)間來處理I/O設(shè)備發(fā)來的中斷，其余的59.99ms都可以用來做別的事情。所以中斷方式比查詢方式節(jié)省CPU的時(shí)間。1/11/2023

中斷方式的方法是當(dāng)設(shè)備完成I/O操作后，主動(dòng)向CPU報(bào)告，CPU只用少量時(shí)間處理I/O中斷，并將數(shù)據(jù)取回。在多道程序中的環(huán)境下，一個(gè)程序或進(jìn)程啟動(dòng)I/O設(shè)備并允許中斷后，不是自己主動(dòng)去執(zhí)行別的程序或繼續(xù)執(zhí)行主流程，而是應(yīng)當(dāng)把自己掛起，控制權(quán)交還給進(jìn)程調(diào)度程序。在中斷處理程序中，完成指定的I/O操作之后應(yīng)把等待此結(jié)果的進(jìn)程喚醒，而后由進(jìn)程調(diào)度程序在適當(dāng)時(shí)機(jī)把此進(jìn)程投入運(yùn)行。1/11/2023某進(jìn)程其他進(jìn)程輸入中斷處理中斷調(diào)度調(diào)度喚醒啟動(dòng)I/O并允許中斷阻塞等待處理輸入的數(shù)據(jù)保護(hù)現(xiàn)場輸入處理喚醒等待進(jìn)程恢復(fù)現(xiàn)場多道程序下的中斷處理方式1/11/20234、特點(diǎn)

中斷控制方式比程序直接控制方式提高了CPU的利用率。每輸入輸出一個(gè)數(shù)據(jù)都會(huì)發(fā)生中斷，傳輸一組數(shù)據(jù)需要多次中斷，浪費(fèi)了CPU的處理時(shí)間。中斷控制方式應(yīng)用于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。1/11/20231、DMA控制方式的引入

引入的原因：中斷處理方式提高了主機(jī)的利用率，但是每次中斷都要保存現(xiàn)場信息，恢復(fù)現(xiàn)場等，仍占用CPU時(shí)間。在傳送數(shù)據(jù)量大、速度高的情況下，中斷方式就不適應(yīng)了。為了進(jìn)一步減少CPU對外設(shè)操作干預(yù)而引入直接存儲(chǔ)器訪問方式。5．2．3直接內(nèi)存存取方式1/11/20232、DMA控制方式

是指對I/O設(shè)備的控制由DMA控制器完成，在DMA控制器的作用下，設(shè)備和主存之間可以成批地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不用CPU的干涉。5．2．3直接內(nèi)存存取方式1/11/2023 3、DMA控制器的組成:DMA控制器的組成命令控制器與設(shè)備接口主機(jī)—控制器接口內(nèi)存CPU系統(tǒng)總線I/O控制邏輯CRMARDCDR┇count1/11/20234、DMA工作步驟:

①當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入一批數(shù)據(jù)時(shí)，CPU將設(shè)備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入DMA控制器中的地址寄存器和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器；另外，還要將中斷位和啟動(dòng)位置為1，以啟動(dòng)設(shè)備開始進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入并允許中斷。②發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài)，進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程占據(jù)CPU。③輸入設(shè)備不斷地挪用CPU工作周期，將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)源源不斷地寫入內(nèi)存，直到所要求的字節(jié)全部傳送完畢。④DMA控制器在傳送字節(jié)數(shù)完成時(shí)，通過中斷請求線發(fā)出中斷信號，CPU收到中斷信號后轉(zhuǎn)中斷處理程序，喚醒等待輸入完成的進(jìn)程，并返回被中斷的程序。⑤在以后的某個(gè)時(shí)刻，進(jìn)程調(diào)度程序選中提出請求輸入的進(jìn)程，該進(jìn)程從指定的內(nèi)存始址取出數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。1/11/2023CPU向控制器發(fā)出啟動(dòng)DMA通知和有關(guān)參數(shù)控制器向內(nèi)存發(fā)出詢問請求訪問內(nèi)存（讀、寫）計(jì)數(shù)器減1結(jié)束否發(fā)中斷NYDMA的實(shí)現(xiàn)流程1/11/20235、DMA方式特點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)傳送的基本單位是數(shù)據(jù)塊； （2）所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存，或者相反； （3）僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)，才需中斷CPU，請求干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在DMA控制器控制下完成的。

缺點(diǎn)：

DMA方式只能完成簡單的數(shù)據(jù)傳送、計(jì)數(shù)、內(nèi)存地址加1或減1等操作，不能滿足復(fù)雜的I/O操作要求。1/11/20236、DMA方式與中斷的主要區(qū)別

（1）中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存區(qū)滿后，發(fā)中斷請求，CPU進(jìn)行中斷處理；DMA方式則是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結(jié)束時(shí)要求CPU進(jìn)行中斷處理，大大減少了CPU進(jìn)行中斷處理的次數(shù)。（2）中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由CPU控制完成的；DMA方式則是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU控制完成的。1/11/20235.2.4I/O通道控制方式1、概念

通道控制方式是一種以主存為中心，是設(shè)備與主存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式。CPU只需要發(fā)出啟動(dòng)指令，指出通道相應(yīng)的操作和輸入輸出設(shè)備，該指令就可以啟動(dòng)通道并使該通道從主存中調(diào)出相應(yīng)的通道指令執(zhí)行，完成一組數(shù)據(jù)塊的輸入/輸出。

1/11/20232、通道控制方式步驟

（1）當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入時(shí)，CPU發(fā)指令指明I/O操作、設(shè)備號和對應(yīng)通道。（2）對應(yīng)通道收到CPU發(fā)來的啟動(dòng)指令后，讀出內(nèi)存中的通道指令程序、設(shè)置對應(yīng)設(shè)備的控制狀態(tài)寄存器的初值。（3）設(shè)備按通道指令的要求，把數(shù)據(jù)送往內(nèi)存指定區(qū)域。（4）若傳送結(jié)束，I/O控制器通過中斷請求線發(fā)中斷信號請求CPU做中斷處理。（5）中斷處理結(jié)束后，CPU返回到被中斷進(jìn)程處繼續(xù)執(zhí)行。（6）當(dāng)進(jìn)程調(diào)度程序選中這個(gè)已得到數(shù)據(jù)的進(jìn)程后，才能進(jìn)行加工處理。1/11/20233、特點(diǎn)

通道所需要的CPU干預(yù)更少，并可以實(shí)現(xiàn)CPU、通道和輸入輸出設(shè)備三者之間的并行操作，從而更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)資源的利用率。通道控制方式適用于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)交換。1/11/2023通道和DMA控制器的區(qū)別（1）一個(gè)DMA控制器只能連接同類外設(shè)，且如果是多臺(tái)同類外設(shè)，則它們只能是以串行方式工作。一個(gè)通道可以連接多個(gè)不同類型的設(shè)備控制器，而一個(gè)設(shè)備控制器又可以管理一臺(tái)或多臺(tái)外圍設(shè)備，這就構(gòu)成了典型的多級層次結(jié)構(gòu)，眾多外設(shè)均可在通道控制下同時(shí)工作；（2）DMA控制是借助硬件完成數(shù)據(jù)交換的，而通道是執(zhí)行通道程序完成數(shù)據(jù)的；（3）DMA控制器需要CPU對多個(gè)外設(shè)進(jìn)行初始化。CPU只需發(fā)一個(gè)I/O指令啟動(dòng)通道，由通道自己完成外設(shè)的初始化。1/11/2023綜上所述，在前三種I/O控制方式中，CPU直接對設(shè)備控制器和I/O接口編程，可以簡化接口的設(shè)計(jì)。對于非DMA傳送，需要CPU實(shí)際去完成數(shù)據(jù)傳送。對于高速數(shù)據(jù)傳送可以使用DMA，但還是需要CPU設(shè)置設(shè)備控制器，初始化DMA操作和操作完畢去檢查端口傳送狀態(tài)。而通道不同于DMA控制器，它能夠去取和執(zhí)行它自己的指令；而且這些指令的功能已不僅僅是數(shù)據(jù)傳送，還包括檢索、分支轉(zhuǎn)移，甚至一些簡單的算術(shù)、邏輯運(yùn)算。1/11/2023大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)普遍用通道方式去控制設(shè)備完成I/O操作，以提高CPU與外設(shè)，外設(shè)與外設(shè)并行的程度。一些小型機(jī)和絕大多數(shù)微型機(jī)都是以CPU直接控制設(shè)備接口和設(shè)備控制器以查詢、中斷或DMA方式完成I/O操作，以降低系統(tǒng)造價(jià)。1/11/2023思考題四

綜上所述的4種I/O控制方式，分別適合用于何種場合？1/11/2023課堂練習(xí)題1、從下面關(guān)于設(shè)備屬性的論述中，選擇一條正確的描述。（）A．字符設(shè)備的一個(gè)基本特征是可尋址的，即能指定輸入時(shí)的源地址和輸出時(shí)的目標(biāo)地址B．共享設(shè)備必須是可尋址的和隨機(jī)訪問的設(shè)備C．共享設(shè)備是指在同一時(shí)刻，允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問的設(shè)備D．在分配共享設(shè)備和獨(dú)占設(shè)備時(shí)，都可能引起進(jìn)程死鎖2、（）在一般大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，主機(jī)對外圍設(shè)備的控制可通過通道、控制器和設(shè)備三個(gè)層次來實(shí)現(xiàn)。從下述敘述中選出一條正確的敘述。A控制器可控制通道，設(shè)備在通道控制下工作B通道控制控制器，設(shè)備在控制器控制下工作C通道和控制器分別控制設(shè)備D控制器控制通道和設(shè)備的工作1/11/20231、通過硬件和軟件的擴(kuò)充,把原來獨(dú)立的設(shè)備改造成能為若干用戶共享的設(shè)備,這種設(shè)備稱為？。

2、引起中斷發(fā)生的事件稱為？。

3、如果I/O設(shè)備與存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU來完成，這種數(shù)據(jù)交換方式是？。4、常用的I/O控制方式有程序I/O方式、？

、？、？.5、DMA是指允許？和？之間直接交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。在DMA中必須設(shè)置地址寄存器，用于存放？，還必須設(shè)置？寄存器，用來暫存交換的數(shù)據(jù)。6、設(shè)備控制器是？和？之間的接口，它接受來自？的I/O命令，并用于控制？的工作。

7、按從屬關(guān)系對I/O設(shè)備分類，可分為系統(tǒng)設(shè)備和？兩類。1/11/20235.3緩沖管理5.3.1緩沖的引入

1、引入的原因（1）緩和CPU與輸入輸出設(shè)備間速度不匹配的矛盾（2）減少對CPU的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時(shí)間的限制。（3）提高CPU與輸入輸出設(shè)備間的并行性。1/11/20232、緩沖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)思想

建立一個(gè)緩沖區(qū)，當(dāng)進(jìn)程要執(zhí)行讀寫操作時(shí)，首先向申請一塊內(nèi)存區(qū)域作為緩沖區(qū)，然后，將要傳送的數(shù)據(jù)高速送到緩沖區(qū)。如果是讀操作，則根據(jù)進(jìn)程要求，把當(dāng)前需要的邏輯記錄從緩沖區(qū)中選出并傳送給進(jìn)程。若為寫操作，則不斷把數(shù)據(jù)填到緩沖區(qū)，直到它被填滿為止。1/11/20233、實(shí)現(xiàn)緩沖的方法

（1）硬件緩沖。硬件緩沖采用專用硬件緩沖器，一般由外設(shè)自帶的專用寄存器構(gòu)成。（2）軟件緩沖。在內(nèi)存中專門開辟若干單元作為緩沖區(qū)為各種設(shè)備服務(wù)。1/11/20235.3.2單緩沖和雙緩沖一、單緩沖

單緩沖即是在發(fā)送者和接收者之間只有一個(gè)緩沖區(qū)過程：當(dāng)一個(gè)用戶進(jìn)程要求輸入數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)控制輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)送往緩沖區(qū)存放，再送往用戶進(jìn)程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。1/11/2023特點(diǎn)在主存中只有一個(gè)緩沖區(qū)。對于塊設(shè)備，該緩沖區(qū)可以存放一塊數(shù)據(jù)，對于字符設(shè)備，該緩沖區(qū)可以存放一行數(shù)據(jù)。設(shè)備和處理器對緩沖區(qū)的操作是串行的，傳輸速度慢。在任一時(shí)刻，只能進(jìn)行單向的數(shù)據(jù)傳輸，并且傳輸數(shù)據(jù)量較少。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單，容易實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)是發(fā)送者和接收者不能并行工作1/11/2023二、雙緩沖

雙緩沖可在發(fā)送者與接收者之間設(shè)兩個(gè)緩沖區(qū)緩沖區(qū)1和緩沖區(qū)2。

過程：發(fā)送者將數(shù)據(jù)送滿緩沖區(qū)1，接收者從緩沖區(qū)1取數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送者則可將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)2，當(dāng)接收者將緩沖區(qū)1取空后，又可到緩沖區(qū)2中取數(shù)據(jù)，這時(shí)發(fā)送者再將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)1。于是，發(fā)送者和接收者交替使用兩個(gè)緩沖區(qū)，達(dá)到了并行工作的目的。1/11/2023特點(diǎn)在主存中設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)，完成數(shù)據(jù)的傳輸。兩個(gè)緩沖區(qū)可以交替使用，提高了處理器和輸入設(shè)備的并行操作能力。在任一時(shí)刻，可以進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)緩沖區(qū)用于輸入，另一個(gè)用于輸出。適用于輸入/輸出、生產(chǎn)者/消費(fèi)者速度基本相匹配的情況。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量較大，或者兩者的速度相差較遠(yuǎn)時(shí)，雙緩沖區(qū)效率較低，還是不能解決兩者并行工作問題。1/11/2023三、循環(huán)緩沖

由于雙緩沖并不能真正解決實(shí)際系統(tǒng)中的并行操作，為了能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)操作的并行程度，可以通過增加緩沖區(qū)的個(gè)數(shù)，即實(shí)現(xiàn)多緩沖區(qū)方式。為了更好地控制和使用這些緩沖區(qū)，將多個(gè)緩沖區(qū)組成環(huán)形，稱為循環(huán)緩沖技術(shù)。循環(huán)緩沖技術(shù)是在內(nèi)存中分配大小相等的存儲(chǔ)區(qū)作為緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)連接起來，每個(gè)緩沖區(qū)中有一個(gè)指向下一個(gè)緩沖區(qū)的指針，最后一個(gè)緩沖區(qū)的指針指向第一個(gè)緩沖區(qū)1/11/2023

為了充分利用這些緩沖資源，使進(jìn)程的處理和I/O設(shè)備的工作具有較好的連續(xù)性，提高設(shè)備的利用率，將緩沖區(qū)分為以下兩種類型：（1）空緩沖區(qū)。準(zhǔn)備接收輸入的數(shù)據(jù)。（2）滿緩沖區(qū)。用于存放可供使用的數(shù)據(jù)。過程：

當(dāng)循環(huán)緩沖接收數(shù)據(jù)時(shí)，將待傳送的數(shù)據(jù)送入EMPTY指向的空緩沖區(qū)，填滿后，讓EMPTY指向下一個(gè)空緩沖區(qū)。每次申請一個(gè)空緩沖區(qū)時(shí)，需要判斷EMPTY是否與FULL相等。若相等，表示系統(tǒng)中已沒有空緩沖區(qū)，輸入進(jìn)程需要等待；否則，可以繼續(xù)輸入。若要從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)時(shí)，直接到FULL所指向的緩沖區(qū)中取，然后讓FULL指向下一個(gè)滿緩沖區(qū)。同樣，每次FULL指針移動(dòng)時(shí)，需要判斷FULL是否與EMPTY相等。若相等，表示緩沖區(qū)已無數(shù)據(jù)可取，等待緩沖區(qū)滿后繼續(xù)操作。1/11/2023特點(diǎn)：在主存中設(shè)置多個(gè)緩沖區(qū)。讀和寫可以并行處理，適用于某種特定的輸入輸出進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程，如輸入/輸出、生產(chǎn)者/消費(fèi)者速度不相匹配的情況。循環(huán)緩沖區(qū)屬于專用緩沖區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí)，使用多個(gè)這樣的緩沖區(qū)要消耗大量的主存空間，降低緩沖區(qū)的使用效率。兩個(gè)缺點(diǎn)：（1）當(dāng)系統(tǒng)的資源較多時(shí)，就要占用大量的緩沖區(qū)，增加內(nèi)存開銷。（2）可能會(huì)出現(xiàn)某個(gè)設(shè)備的緩沖不夠用，而其他設(shè)備有多個(gè)空閑緩沖區(qū)的情況，導(dǎo)致循環(huán)緩沖的利用率不高。1/11/2023四、緩沖池上述的循環(huán)緩沖區(qū)僅適用于某特定的I/O進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程，是專用緩沖結(jié)構(gòu)，而不是針對整個(gè)系統(tǒng)的公用緩沖結(jié)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí)，會(huì)有很多這樣的緩沖結(jié)構(gòu)，這不僅要消耗大量的內(nèi)存空間，而且其利用率不高。為了提高緩沖區(qū)的利用率，目前普遍采用公用緩沖池結(jié)構(gòu)，在緩沖池中設(shè)置了可供多個(gè)并發(fā)進(jìn)程共享的緩沖區(qū)。1/11/2023如圖所示，緩沖池是由多個(gè)大小相同的緩沖區(qū)組成，同管理程序統(tǒng)一對緩沖池進(jìn)行管理。當(dāng)某個(gè)進(jìn)程需要使用緩沖區(qū)時(shí)，由管理程序?qū)⒕彌_池中合適的緩沖區(qū)分配給它，使用完畢，再將緩沖區(qū)釋放回緩沖池。

1/11/2023為便于管理，系統(tǒng)將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個(gè)隊(duì)列，緩沖池中共有三種隊(duì)列：（1）空緩沖隊(duì)列。（2）輸入隊(duì)列。（3）輸出隊(duì)列。這三種隊(duì)列各有指向其首緩沖區(qū)的隊(duì)首指針和指向尾緩沖區(qū)的隊(duì)尾指針。系統(tǒng)根據(jù)需要從這三種隊(duì)列中取出緩沖區(qū)，對緩沖區(qū)進(jìn)行存數(shù)據(jù)、取數(shù)據(jù)操作。這些緩沖區(qū)稱為工作緩沖區(qū)。緩沖池中有四種工作緩沖區(qū)：（1）收容輸入工作緩沖區(qū)。（2）提取輸入工作緩沖區(qū)。（3）收容輸出工作緩沖區(qū)。（4）提取輸出工作緩沖區(qū)。1/11/2023對緩沖池管理提供兩個(gè)基本操作(過程)：(1)getbuf(type)：用于從type所指定的隊(duì)列的隊(duì)首，摘下一個(gè)緩沖區(qū)；(2)putbuf(type，number)：用于將用參數(shù)number所指示的緩沖區(qū)，掛在type隊(duì)列上。1/11/2023下面是緩沖池在具體的工作過程中，對緩沖池中的緩沖區(qū)實(shí)施管理和使用的情況：（1）當(dāng)輸入設(shè)備要進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入時(shí)，先從空緩沖區(qū)隊(duì)列的隊(duì)首摘取一個(gè)空緩沖區(qū)，將它作為收容輸入工作緩沖區(qū)，在其裝滿輸入數(shù)據(jù)后，再將它掛到輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列的隊(duì)尾。（2）當(dāng)某個(gè)計(jì)算進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，從輸入隊(duì)列中取出一個(gè)緩沖區(qū)作為輸入工作緩沖區(qū)，進(jìn)程從中提取數(shù)據(jù)，取空后，將該緩沖區(qū)掛到空緩沖區(qū)隊(duì)列的隊(duì)尾。（3）當(dāng)某個(gè)計(jì)算進(jìn)程想輸出數(shù)據(jù)時(shí)，從空緩沖區(qū)隊(duì)首摘下一個(gè)空緩沖區(qū)作為收容輸出工作緩沖區(qū)，在其裝滿計(jì)算進(jìn)程的輸出數(shù)據(jù)后，將它掛到輸出隊(duì)列的隊(duì)尾。（4）當(dāng)輸出設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出時(shí)，從輸出隊(duì)列取下一個(gè)緩沖區(qū)作為提取輸出工作緩沖區(qū)，當(dāng)其數(shù)據(jù)全送到輸出設(shè)備后，再將它掛到空緩沖隊(duì)列尾。1/11/2023特點(diǎn)

緩沖池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在主存中設(shè)置公用緩沖池，在池中設(shè)置多個(gè)可以供多個(gè)進(jìn)程共享的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)既可以用于輸入，又可以用于輸出（即共享）。緩沖池的設(shè)置，減少了主存空間的消耗，提高了主存的利用率，適應(yīng)于現(xiàn)代操作系統(tǒng)。無論是多緩沖，還是緩沖池，由于緩沖器是臨界資源，因此在使用緩沖區(qū)時(shí)都有一個(gè)申請、釋放和互斥的問題。1/11/2023緩沖和緩存的差異

緩沖與緩存的基本原理和作用是相似的，如果不加區(qū)分的話，都可以稱之為緩沖。但兩者之間確實(shí)存在細(xì)微的差異：緩沖的作用在于協(xié)調(diào)速度不匹配的I/O傳輸過程；而緩存的作用在于減少對設(shè)備的實(shí)際訪問次數(shù)。這個(gè)差異導(dǎo)致了兩者的管理方法有所不同。1/11/2023

一般來說，緩沖區(qū)的生命期較短，當(dāng)進(jìn)程開始數(shù)據(jù)傳輸時(shí)建立，一旦數(shù)據(jù)傳輸完畢，將立即釋放緩沖區(qū)，它只起暫存數(shù)據(jù)的作用。而緩存區(qū)的生命期較長，緩存的數(shù)據(jù)可以長時(shí)間地保存在緩存區(qū)中，服務(wù)于各種應(yīng)用目的。如文件系統(tǒng)中的i節(jié)點(diǎn)緩存、目錄項(xiàng)緩存等在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行期間都存在于內(nèi)存中，由文件系統(tǒng)管理和使用。

1/11/2023另外，緩沖區(qū)的管理相對簡單，系統(tǒng)只需提供簡單的分配算法以及同步機(jī)制即可。而緩存區(qū)的管理則需要利用更復(fù)雜的算法，以提高訪問的命中率，最大限度地發(fā)揮緩存的作用。例如，磁盤的緩存算法要確定哪些數(shù)據(jù)應(yīng)存放在緩存中，哪些數(shù)據(jù)應(yīng)從緩存中撤出等。

在應(yīng)用上，進(jìn)程間的通信多使用緩沖技術(shù)，而設(shè)備的I/O往往使用緩沖兼緩存技術(shù)。1/11/20235.4I/O軟件

分層結(jié)構(gòu)的底層是設(shè)備相關(guān)部分，稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。它們直接和相應(yīng)的設(shè)備打交道，負(fù)責(zé)設(shè)備的具體驅(qū)動(dòng)和控制。上層通常是和設(shè)備無關(guān)的，這個(gè)部分接受來自用戶層的訪問請求，并把這些訪問請求傳給具體的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，再將驅(qū)動(dòng)程序的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傳給用戶1/11/20235.4I/O軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則設(shè)備無關(guān)性錯(cuò)誤處理同步/異步傳輸必須能處理獨(dú)占設(shè)備和共享設(shè)備的I/O操作1/11/2023為實(shí)現(xiàn)以上四個(gè)目標(biāo)，I/O系統(tǒng)應(yīng)組織成以下四個(gè)層次：(1)中斷處理程序(2)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(3)與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件(4)用戶空間的I/O軟件1/11/20235.4.2中斷處理程序

中斷事件通常由硬件發(fā)現(xiàn)。對出現(xiàn)的事件進(jìn)行處理的程序稱為中斷處理程序。

中斷處理程序是由操作系統(tǒng)處理的，屬于操作系統(tǒng)的組成部分。

中斷處理程序位于I/O系統(tǒng)的最低層。當(dāng)進(jìn)程需要進(jìn)行I/O操作時(shí)，操作系統(tǒng)應(yīng)將該進(jìn)程掛起，即進(jìn)入阻塞，直至I/O操作結(jié)束并發(fā)生中斷。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，中斷處理程序執(zhí)行相應(yīng)的操作，以解除相應(yīng)進(jìn)程的阻塞狀態(tài)。1/11/2023一個(gè)完整的中斷處理過程包括以下四步:

(1)中斷請求：由中斷源向CPU提出中斷請求(軟中斷除外)。

(2)中斷響應(yīng)：CPU在收到中斷請求并具備響應(yīng)條件的情況下，進(jìn)行中斷響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)向中斷服務(wù)程序的過渡。(3)中斷服務(wù)：CPU在執(zhí)行中斷服務(wù)程序期間，要進(jìn)行具體的中斷服務(wù)。(4)中斷返回：中斷服務(wù)程序的最后一條指令應(yīng)是中斷返回指令。當(dāng)執(zhí)行到該指令時(shí)，便返回到被終止的程序，從斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。1/11/2023中斷請求：

中斷源需要通過中斷線送到中斷控制器的輸入端，這稱為中斷請求。

中斷控制器是一個(gè)硬件裝置，它負(fù)責(zé)捕獲中斷請求，并以一定的方式向CPU提交中斷。由于同時(shí)可能會(huì)有多個(gè)中斷信號產(chǎn)生，它們需要共用有限的中斷線。因此，當(dāng)設(shè)備要使用中斷線時(shí)就要先進(jìn)行中斷請求(IRQ)，以獲得中斷線的使用權(quán)。1/11/2023中斷響應(yīng)

對中斷請求的整個(gè)處理過程是由硬件和軟件相結(jié)合的一整套中斷機(jī)構(gòu)實(shí)施的。中斷響應(yīng)由硬件實(shí)施，中斷處理主要由軟件實(shí)施。中斷響應(yīng)是CPU對中斷源中斷請求的響應(yīng)，包括保護(hù)斷點(diǎn)和將程序轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序的入口地址。

在處理器執(zhí)行完一條指令后，硬件的中斷裝置就立即檢查有無中斷事件發(fā)生。若無，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令；若有，則停止現(xiàn)行進(jìn)程，由操作系統(tǒng)中的中斷處理程序占用處理器，這一過程稱為“中斷響應(yīng)”。1/11/2023一般說來，中斷響應(yīng)過程順序執(zhí)行下述動(dòng)作：

(1)中止當(dāng)前進(jìn)程的執(zhí)行；(2)對被響應(yīng)的中斷進(jìn)行應(yīng)答；

(3)保存當(dāng)前進(jìn)程的斷點(diǎn)信息(主要是程序狀態(tài)字PSW和程序計(jì)數(shù)器PC)；

(4)轉(zhuǎn)到中斷處理程序入口。1/11/2023中斷處理

中斷處理主要由軟件實(shí)施。響應(yīng)中斷后，CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。每個(gè)中斷都對應(yīng)一個(gè)特定的中斷處理程序，因而系統(tǒng)中會(huì)有許多中斷處理程序，如時(shí)鐘中斷處理程序、鍵盤中斷處理程序等。在設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序中包含了對該設(shè)備所有中斷的處理程序。

1/11/2023中斷處理過程：

①當(dāng)中斷裝置發(fā)現(xiàn)中斷事件后，先把中斷事件存放到程序狀態(tài)字寄存器中的中斷碼位置。②把程序狀態(tài)字寄存器中的“當(dāng)前PSW”作為“舊PSW”保存到預(yù)先約定的主存的固定單元中。③根據(jù)中斷碼，把該類事件處理程序的“新PSW”送入程序狀態(tài)字寄存器。④處理器按新PSW控制處理該事件的中斷處理程序執(zhí)行。當(dāng)中斷程序處理完后，再恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行原先被中斷的進(jìn)程1/11/2023中斷處理程序的處理過程如下：

1．喚醒被阻塞的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程2．保護(hù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場3．分析中斷原因、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序4．進(jìn)行中斷處理5．恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場

中斷處理程序的工作是對傳輸?shù)慕Y(jié)果進(jìn)行必要的處理。1/11/2023多中斷的處理

對于中斷處理過程中又發(fā)生中斷，引起多中斷處理的問題，通常有兩種處理方法。

(1)處理一個(gè)中斷時(shí)禁止中斷對任何新中斷置之不理，在此期間發(fā)生的中斷將保持掛起狀態(tài)，當(dāng)再次允許中斷時(shí)，新中斷信號被處理器檢測到再予以處理(2)中斷按照優(yōu)先權(quán)分級允許優(yōu)先級高的中斷打斷優(yōu)先級低的中斷處理過程1/11/20235.4.3設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是驅(qū)動(dòng)物理設(shè)備直接進(jìn)行各種操作的軟件，它可看作I/O系統(tǒng)和物理設(shè)備的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括了所有與設(shè)備有關(guān)的代碼。每一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序只處理一種設(shè)備或者一類密切相關(guān)的設(shè)備。

1/11/2023設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能：（1）實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的轉(zhuǎn)換。（2）發(fā)出I/O命令，啟動(dòng)相應(yīng)的I/O設(shè)備，完成相應(yīng)的I/O操作。1/11/2023設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備控制器交互的大致過程

驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒖刂泼畎l(fā)到控制器的命令寄存器中，控制器啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行I/O操作。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與控制器交互，完成數(shù)據(jù)傳輸工作。控制器將設(shè)備產(chǎn)生的狀態(tài)信息存入狀態(tài)寄存器中，供驅(qū)動(dòng)程序查詢。當(dāng)有設(shè)備中斷事件發(fā)生時(shí)，控制器發(fā)出中斷請求信號，系統(tǒng)進(jìn)入中斷處理程序進(jìn)行處理。1/11/2023設(shè)備處理方式有三類：

一是為每一類設(shè)備設(shè)置一個(gè)進(jìn)程，專門執(zhí)行這類設(shè)備的輸入輸出操作。二是在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)輸入輸出進(jìn)程，專門負(fù)責(zé)對系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的輸入輸出操作。三是不設(shè)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程，只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序，供用戶進(jìn)程或系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用。1/11/2023設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)

(1)驅(qū)動(dòng)程序主要是在請求輸入輸出的進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的一個(gè)通信程序。(2)驅(qū)動(dòng)程序與輸入輸出設(shè)備的特性密切相關(guān)。因而對不同類型的設(shè)備應(yīng)配置不同的驅(qū)動(dòng)程序(3)驅(qū)動(dòng)程序與輸入輸出控制方式緊密相關(guān)。(4)驅(qū)動(dòng)程序與硬件緊密相關(guān)，其部分被固化在ROM中。1/11/2023設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過程：

1．將抽象要求轉(zhuǎn)化為具體要求2．檢查輸入輸出請求的合法性3．讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)4．傳送必要的參數(shù)5．設(shè)置工作方式6．啟動(dòng)輸入輸出設(shè)備1/11/20235.4.4設(shè)備獨(dú)立性軟件

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性而引入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備這兩個(gè)概念。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名稱來請求使用某類設(shè)備；而系統(tǒng)在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，還必須使用物理設(shè)備名稱。

因此，系統(tǒng)須具有將邏輯設(shè)備名稱轉(zhuǎn)換為某物理設(shè)備名稱的功能，這非常類似于存儲(chǔ)器管理中所介紹的邏輯地址和物理地址的概念。

1/11/20231．邏輯設(shè)備與物理設(shè)備的概念

物理設(shè)備是一個(gè)具體的設(shè)備。系統(tǒng)為了能識別全部外設(shè)，給每臺(tái)外設(shè)分配一個(gè)唯一不變的名字，稱為物理設(shè)備名。系統(tǒng)在實(shí)際工作時(shí)使用物理設(shè)備名。邏輯設(shè)備是對實(shí)際物理設(shè)備屬性的抽象，它并不限于某個(gè)具體設(shè)備。用戶在編程時(shí)，不用關(guān)心系統(tǒng)具體配置了哪些設(shè)備，也不需要了解各種設(shè)備的物理特性，而只是按照慣例為所用的設(shè)備起個(gè)邏輯名字，稱為邏輯設(shè)備名。1/11/20232．設(shè)備獨(dú)立性

設(shè)備獨(dú)立性也稱設(shè)備無關(guān)性，指用戶編程時(shí)所使用的設(shè)備與實(shí)際使用的設(shè)備無關(guān)。為此，要求用戶程序?qū)斎胼敵鲈O(shè)備的請求采用邏輯設(shè)備名；而在程序?qū)嶋H執(zhí)行時(shí)使用物理設(shè)備名，它們之間的關(guān)系類似存儲(chǔ)管理中的邏輯地址和物理地址的關(guān)系。1/11/2023

用戶程序以邏輯設(shè)備名來請求使用某類設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)將在該類設(shè)備中，根據(jù)設(shè)備的使用情況，將任一臺(tái)合適的物理設(shè)備分配給程序。

在實(shí)現(xiàn)了設(shè)備獨(dú)立性的功能后，可帶來以下兩方面的好處：1)設(shè)備分配時(shí)的靈活性2)易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向1/11/20235.4.5用戶層I/O軟件盡管大部分I/O軟件屬于操作系統(tǒng)，但是也有一小部分是與用戶程序鏈接在一起的庫例程，甚至是在核心外運(yùn)行的完整程序。系統(tǒng)調(diào)用，包括I/O系統(tǒng)調(diào)用，通常是庫例程調(diào)用。在如下C語句：count=write(fd，buffer，nbyte)；中，所調(diào)用的庫函數(shù)write()將與用戶程序鏈接在一起，并包含在運(yùn)行時(shí)的二進(jìn)制代碼中。這一類庫例程顯然也是I/O系統(tǒng)的一部分。標(biāo)準(zhǔn)I/O庫包含相當(dāng)多涉及I/O的庫例程，它們作為用戶程序的一部分運(yùn)行。1/11/2023總結(jié)I/O系統(tǒng)各層的主要功能如下：

(1)用戶進(jìn)程層執(zhí)行輸入/輸出系統(tǒng)調(diào)用，對I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，為假脫機(jī)輸入/輸出做準(zhǔn)備。

(2)獨(dú)立于設(shè)備的軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備的命名、設(shè)備的保護(hù)、成塊處理、緩沖技術(shù)和設(shè)備分配。

(3)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置設(shè)備寄存器、檢查設(shè)備的執(zhí)行狀態(tài)。

(4)中斷處理程序負(fù)責(zé)I/O完成時(shí)，喚醒設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程，進(jìn)行中斷處理。

(5)硬件層實(shí)現(xiàn)物理I/O的操作。1/11/20235.5設(shè)備分配

設(shè)備分配是由I/O系統(tǒng)中的設(shè)備分配程序完成的。每當(dāng)進(jìn)程提出I/O請求時(shí)，設(shè)備分配程序便按照一定的策略把所需的設(shè)備分配給進(jìn)程使用。設(shè)備分配的原則是要盡可能地讓設(shè)備忙碌，充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率。1/11/20235.5.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表DCT控制器控制表COCT系統(tǒng)設(shè)備表SDT通道控制表CHCT（有時(shí)有）1/11/20231.設(shè)備控制表系統(tǒng)為每個(gè)設(shè)備配置一張?jiān)O(shè)備控制表，用于記錄設(shè)備的特性及與輸入輸出控制器連接的情況。

該表在系統(tǒng)生成時(shí)或在該設(shè)備和系統(tǒng)連接時(shí)創(chuàng)建，但表中的內(nèi)容則根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行情況而被動(dòng)態(tài)地修改。1/11/2023表目1┊設(shè)備控制表集合設(shè)備控制表設(shè)備控制表1/11/20232.系統(tǒng)設(shè)備表SDT系統(tǒng)設(shè)備表也稱為設(shè)備類表，整個(gè)系統(tǒng)配置一張。它記錄了已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況，并為每個(gè)物理設(shè)備設(shè)一個(gè)表項(xiàng)。1/11/2023表目1┊系統(tǒng)設(shè)備表1/11/20233.控制器控制表COCT系統(tǒng)為每個(gè)控制器配置了一張控制器控制表，以反映控制器的使用狀態(tài)。1/11/2023表目1┊控制器表

控制器表其中控制器表中包括：控制器標(biāo)識符、控制器狀態(tài)、與控制器連接的通道表指針、控制器隊(duì)列的隊(duì)首指針和隊(duì)尾指針。與設(shè)備控制表的表目類似，不再重復(fù)。1/11/20234.通道控制表CHCT

系統(tǒng)為每個(gè)通道配置一張通道控制表，以反映通道的使用狀態(tài)。該表只在通道控制方式的系統(tǒng)中存在，每個(gè)通道一張。1/11/2023表目1┊通道表通道表其中通道表中包括：通道標(biāo)識符、通道狀態(tài)、與通道連接的控制器表首址、通道隊(duì)列的隊(duì)首指針和隊(duì)尾指針。與設(shè)備控制表的表目類似，不再重復(fù)。1/11/2023這幾張表的關(guān)系：

在系統(tǒng)設(shè)備表中有指向設(shè)備控制表的指針，在設(shè)備控制表中有指向該設(shè)備控制器控制表的指針，在控制器控制表中有指向與該控制器連接的通道控制表的指針。系統(tǒng)就是通過這種關(guān)系進(jìn)行設(shè)備的分配與回收的。1/11/20235.5.2設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素1．設(shè)備的使用性質(zhì)

按照設(shè)備自身的使用性質(zhì)，可以采用以下三種不同的分配方式：獨(dú)享分配、共享分配、虛擬分配。獨(dú)享分配適用于大多數(shù)低速設(shè)備，如打印機(jī)。共享分配適應(yīng)于高速設(shè)備，如磁盤。虛擬分配適應(yīng)于虛擬設(shè)備。根據(jù)設(shè)備的使用性質(zhì)來決定一臺(tái)設(shè)備可以分給幾個(gè)進(jìn)程。1/11/20232.設(shè)備分配的算法

當(dāng)有多個(gè)進(jìn)程同時(shí)請求設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)采用某種策略決定將設(shè)備分配給哪個(gè)進(jìn)程使用。主要的分配策略有先來先服務(wù)和優(yōu)先級兩種。

（1）先來先服務(wù)算法根據(jù)進(jìn)程對某設(shè)備提出請求的先后次序，將這些進(jìn)程排成一個(gè)設(shè)備請求隊(duì)列，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備首先分配給隊(duì)首的進(jìn)程。先來先服務(wù)的算法簡單、公平，但無法滿足某些緊迫進(jìn)程對I/O響應(yīng)時(shí)間的要求。（2）優(yōu)先級算法的策略是對高優(yōu)先權(quán)進(jìn)程的I/O請求也賦予高優(yōu)先權(quán)，這有助于這種進(jìn)程盡快完成。在利用該算法形成設(shè)備隊(duì)列時(shí)，將優(yōu)先級高的進(jìn)程排在設(shè)備請求隊(duì)列的前面，而對于同優(yōu)先級的I/O請求，則按先來先服務(wù)的原則排隊(duì)。1/11/20233.設(shè)備分配的安全性設(shè)備分配的安全性是指在設(shè)備分配中應(yīng)防止發(fā)生進(jìn)程的死鎖。設(shè)備分配的安全性采用的方法有靜態(tài)分配策略和動(dòng)態(tài)分配策略，它們可以防止進(jìn)程死鎖。

（1）靜態(tài)分配策略。靜態(tài)分配策略是在作業(yè)級進(jìn)行的，用戶作業(yè)開始執(zhí)行前，由系統(tǒng)一次分配給該作業(yè)所要求的全部設(shè)備、控制器和通道，直到該作業(yè)撤消為止。靜態(tài)分配不會(huì)出現(xiàn)死鎖，但是，設(shè)備利用率低。（2）動(dòng)態(tài)分配策略。動(dòng)態(tài)分配策略是在進(jìn)程執(zhí)行過程中，根據(jù)執(zhí)行的需要所進(jìn)行的設(shè)備分配。動(dòng)態(tài)分配提高了設(shè)備的利用率，但是分配不當(dāng)，會(huì)造成進(jìn)程的死鎖。1/11/20234.設(shè)備的獨(dú)立性

設(shè)備的獨(dú)立性是指用戶在編制程序時(shí)所使用的設(shè)備與實(shí)際使用的設(shè)備無關(guān)。為此，要求用戶程序?qū)斎胼敵鲈O(shè)備的請求采用邏輯設(shè)備名，而在程序?qū)嶋H執(zhí)行時(shí)使用物理設(shè)備名，它們之間的關(guān)系類似存儲(chǔ)管理中的邏輯地址和物理地址的關(guān)系。1/11/20235.5.3獨(dú)占設(shè)備的分配程序在一個(gè)具有I/O通道的系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)程提出I/O請求時(shí)，對獨(dú)占設(shè)備的分配過程是：

首先為其進(jìn)行分配合適的設(shè)備，然后分配控制器，最后分配通道。1/11/20231．分配設(shè)備分配設(shè)備的過程如圖示：

當(dāng)進(jìn)程提出I/O請求后，首先根據(jù)進(jìn)程提出的邏輯設(shè)備名，查找到與之對應(yīng)的物理設(shè)備名，檢索系統(tǒng)設(shè)備表SDT，以獲得該設(shè)備的設(shè)備控制表DCT。查看設(shè)備控制表中設(shè)備的狀態(tài)。若設(shè)備忙，將該進(jìn)程PCB放入設(shè)備請求隊(duì)列中；否則，系統(tǒng)可根據(jù)一定的算法判定分配此設(shè)備給進(jìn)程是否安全。若不安全，將進(jìn)程的PCB塊也放入設(shè)備請求隊(duì)列。若有設(shè)備空閑，且分配安全，就將該設(shè)備分配給進(jìn)程。1/11/2023121第七章設(shè)備管理2．分配控制器在系統(tǒng)把設(shè)備分配給請求輸入輸出的進(jìn)程后，再到設(shè)備控制表中找到與該設(shè)備相連的控制器控制表，從該表的狀態(tài)字段中可知該控制器是否忙碌。若控制器忙，則將進(jìn)程插入到等待該控制器的隊(duì)列；否則，將該控制器分配給進(jìn)程，即修改控制器控制表，把狀態(tài)字段的值由“0”改為進(jìn)程名。1/11/2023122第七章設(shè)備管理3．分配通道在分配完設(shè)備控制器后，從控制器控制表中找到與該控制器相連的通道控制表，從該表的狀態(tài)字段中可知該通道是否忙碌。若通道處于忙碌狀態(tài)，則將該進(jìn)程插入到等待該通道的隊(duì)列；否則，將該通道分配給進(jìn)程，即修改通道控制表，把狀態(tài)字段的值由“0”改為進(jìn)程名。1/11/2023123第七章設(shè)備管理設(shè)備回收

當(dāng)進(jìn)程撤消或設(shè)備使用完畢后，要進(jìn)行設(shè)備的回收，設(shè)備回收的過程如圖所示。設(shè)備回收的步驟：（1）系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程名在設(shè)備分配表中找到相應(yīng)的記錄，把設(shè)備狀態(tài)修改為“0”表示未分配，若該設(shè)備的等待隊(duì)列不空，則喚醒隊(duì)首進(jìn)程，進(jìn)行設(shè)備分配；（2）到該設(shè)備的控制器控制表中，把其狀態(tài)由進(jìn)程名改為“0”，若該控制器的等待隊(duì)列不空，則喚醒隊(duì)首進(jìn)程，進(jìn)行控制器分配；（3）到該控制器的通道控制表中，把其狀態(tài)由進(jìn)程名改為“0”，若該通道的等待隊(duì)列不空，則喚醒隊(duì)首進(jìn)程，進(jìn)行通道分配；（4）在系統(tǒng)設(shè)備表中，把回收設(shè)備臺(tái)數(shù)添加到“現(xiàn)存設(shè)備臺(tái)數(shù)”中。

1/11/2023124第七章設(shè)備管理對設(shè)備分配程序的改進(jìn)

以上設(shè)備分配程序有兩個(gè)特點(diǎn)：

一是，進(jìn)程是以物理設(shè)備名來提出輸入輸出請求的。

二是，系統(tǒng)采用的是單通路的輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這樣的系統(tǒng)容易產(chǎn)生“瓶頸”現(xiàn)象。

為此，對設(shè)備分配程序做以下改進(jìn)：

（1）增加設(shè)備的獨(dú)立性。進(jìn)程應(yīng)以邏輯設(shè)備名請求輸入輸出。系統(tǒng)首先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備表找到第一個(gè)該類設(shè)備的設(shè)備分配表，若該設(shè)備忙，則查找第二個(gè)該類設(shè)備的設(shè)備分配表，僅當(dāng)所有該類設(shè)備都忙時(shí)，才把進(jìn)程掛在該類設(shè)備的等待隊(duì)列上。這樣通過增加設(shè)備的獨(dú)立性，提高了設(shè)備分配的安全性。1/11/2023125第七章設(shè)備管理（2）考慮多通路情況。系統(tǒng)采用多通路的輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖示：即一個(gè)設(shè)備可以由多個(gè)控制器控制，一個(gè)控制器可以由多個(gè)通道控制（即增加圖中的虛線部分）。這樣，可以防止系統(tǒng)出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象。也就是對控制器和通道的分配，同樣經(jīng)過幾次反復(fù)，只要有一個(gè)控制器或通道可用，系統(tǒng)就可以把它分配給進(jìn)程。這樣，就增加了分配控制器和通道的可能性，提高了設(shè)備分配的效率。返回1/11/2023126第七章設(shè)備管理5.5.4SPOOLing技術(shù)虛擬設(shè)備技術(shù)

虛擬設(shè)備：指通過某種虛擬技術(shù)，將一臺(tái)物理設(shè)備變換成若干臺(tái)邏輯設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶對該物理設(shè)備的同時(shí)共享。由于多臺(tái)邏輯設(shè)備實(shí)際上并不存在，而只是給用戶的一種感覺，因此被稱作虛擬設(shè)備。過程：當(dāng)進(jìn)程中請求獨(dú)享設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)將共享設(shè)備的一部分存儲(chǔ)空間分配給它。進(jìn)程與設(shè)備交換信息時(shí)，系統(tǒng)把要交換的信息存放在這部分存儲(chǔ)空間，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)π畔⒆飨鄳?yīng)的處理。

1/11/2023SPOOLing的概念

為了緩和CPU的高速性與I/O設(shè)備低速性間的矛盾而引了脫機(jī)輸入、脫機(jī)輸出技術(shù)，利用專門的外圍控制機(jī)，將數(shù)據(jù)在低速I/O設(shè)備上與高速磁盤之間傳送。通過共享設(shè)備來模擬獨(dú)享設(shè)備所采用的操作是假脫機(jī)操作，或SPOOLing，即在聯(lián)機(jī)情況下外部設(shè)備設(shè)備同時(shí)操作。什么是SPOOLing系統(tǒng)？指在多道程序的環(huán)境下，利用多道程序中的一道或兩道程序來模擬外圍控制機(jī)，從而在聯(lián)機(jī)的條件下實(shí)現(xiàn)脫機(jī)I/O的功能。1/11/2023SPOOLing系統(tǒng)的組成 1．輸入井和輸出井。2．輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。3．輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程。1/11/2023假脫機(jī)技術(shù)的組成：（1）輸入井和輸出井。這是在磁盤上開辟的兩個(gè)大的存儲(chǔ)區(qū)。輸入井是模擬脫機(jī)輸入時(shí)的磁盤，用于收容輸入設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)。輸出井是模擬脫機(jī)輸出時(shí)的磁盤，用于收容用戶程序的輸出數(shù)據(jù)。（2）輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。它們是在主存中開辟的兩個(gè)緩沖區(qū)。輸入緩沖區(qū)用于暫存由輸入設(shè)備送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送到輸入井，輸出緩沖區(qū)用于暫存從輸出井送來的數(shù)據(jù)，以后再傳送給輸出設(shè)備。（3）輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程。輸入進(jìn)程模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入設(shè)備，通過輸入緩沖區(qū)送到輸入井。當(dāng)CPU需要數(shù)據(jù)時(shí)，直接從輸入井讀入主存。輸出進(jìn)程模擬脫機(jī)輸出時(shí)的外圍控制機(jī)，把用戶要求輸出的數(shù)據(jù)，先從主存送到輸出井，待輸出設(shè)備空閑時(shí)，再將輸出井中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過輸出緩沖區(qū)送到輸出設(shè)備上。1/11/2023思考題SPOOLing是如何實(shí)現(xiàn)輸入輸出的？

輸入進(jìn)程模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入機(jī)通過輸入緩沖區(qū)再送到輸入井，當(dāng)CPU需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，直接從輸入井讀入內(nèi)存；輸出進(jìn)程模擬脫機(jī)輸出時(shí)的外圍控制機(jī)，把用戶要求輸出的數(shù)據(jù)先從內(nèi)存送到輸出井，待輸出設(shè)備空閑時(shí)，再將輸出井中的數(shù)據(jù)經(jīng)過輸出緩沖區(qū)送到輸出設(shè)備上。1/11/2023用SPOOLing技術(shù)實(shí)現(xiàn)打印機(jī)共享例

系統(tǒng)在外存開辟了一個(gè)打印機(jī)輸出井和一個(gè)磁帶機(jī)輸入井。對用戶進(jìn)程來說，這就是一臺(tái)虛擬打印機(jī)和一臺(tái)虛擬磁帶機(jī)。當(dāng)進(jìn)程需要從磁帶機(jī)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，SPOOLing系統(tǒng)啟動(dòng)磁帶機(jī)，將數(shù)據(jù)讀入磁帶機(jī)輸入井中，隨后進(jìn)程直接從輸入井提取數(shù)據(jù)，不需再等待。當(dāng)進(jìn)程需要打印輸出時(shí)，它們將數(shù)據(jù)高速地送入打印機(jī)輸出井，然后繼續(xù)運(yùn)行。在輸出井等待打印的數(shù)據(jù)形成打印隊(duì)列，由SPOOLing系統(tǒng)控制在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候完成實(shí)際的打印工作。1/11/2023

虛擬設(shè)備除了可以減少進(jìn)程對設(shè)備的等待時(shí)間外，還可以解決多個(gè)進(jìn)程對獨(dú)占設(shè)備的競爭問題。例如，在設(shè)置了虛擬打印機(jī)的系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都可以隨時(shí)執(zhí)行打印輸出操作，好像系統(tǒng)的打印機(jī)是自己獨(dú)占的。也就是說，使用虛擬設(shè)備永遠(yuǎn)不會(huì)引起進(jìn)程死鎖。1/11/2023

當(dāng)用戶進(jìn)程請求打印輸出時(shí)，SPOOLing系統(tǒng)同意為它打印輸出，但并不真正立即把打印機(jī)分配給該用戶進(jìn)程，而只為它做兩件事：①由輸出進(jìn)程在輸出井中為之申請一個(gè)空閑磁盤塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中；②輸出進(jìn)程再為用戶進(jìn)程申請一張空白的用戶請求打印表，并將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到請求打印隊(duì)列上。1/11/2023思考題請說明SPOOLing系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的？答：SPOOLing系統(tǒng)主要由輸入井和輸出井、輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)、輸入進(jìn)程和輸出三部分組成。當(dāng)要運(yùn)行用戶程序時(shí)，由輸入進(jìn)程將用戶要求的程序和數(shù)據(jù)預(yù)先從輸入設(shè)備經(jīng)由輸入緩沖區(qū)送到輸入井，當(dāng)程序運(yùn)行需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，直接從輸入井將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。當(dāng)用戶程序要求輸出數(shù)據(jù)時(shí)，由輸出進(jìn)程先將數(shù)據(jù)從內(nèi)存送到輸出井，待輸出設(shè)備空閑時(shí)，再將輸出井中的數(shù)據(jù)經(jīng)由輸出緩沖區(qū)送到輸出設(shè)備上。由于磁盤是共享設(shè)備，輸入井及輸出井是磁盤上的兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，因此多個(gè)用戶進(jìn)程可以共享使用輸入井及輸出井，這樣，就將獨(dú)占型設(shè)備改造成了可共享使用的虛擬設(shè)備。1/11/2023SPOOLing系統(tǒng)特點(diǎn)1．提高了I/O速度。 2．將獨(dú)享設(shè)備改造為共享設(shè)備。 3．實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。(1)提高了輸入輸出速度。SPOOLing技術(shù)引入了輸入井和輸出井，可以使輸入進(jìn)程、用戶進(jìn)程和輸出進(jìn)程同時(shí)工作，從而提高了輸入輸出速度。(2)將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。由于SPOOLing技術(shù)把所有用戶進(jìn)程的輸出都送入輸出井，然后再由輸出進(jìn)程完成打印工作，而輸出井在磁盤上，為共享設(shè)備。這樣SPOOLing技術(shù)就把打印機(jī)等獨(dú)占設(shè)備改造成了共享設(shè)備。(3)實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。由于SPOOLing技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)用戶進(jìn)程共同使用打印機(jī)這種獨(dú)占設(shè)備的情況，從而實(shí)現(xiàn)了把一個(gè)設(shè)備當(dāng)成多個(gè)設(shè)備來使用，即虛擬設(shè)備的功能。1/11/20235.6磁盤存儲(chǔ)器的管理5.6.1磁盤性能簡述磁盤的結(jié)構(gòu)

每個(gè)盤面上有許多磁道，從0開始按由外向里的次序順序編號，不同盤面上具有相同編號的磁道在同一個(gè)柱面上，把盤面上的磁道號稱為“柱面號”。

每個(gè)盤面有一個(gè)讀寫磁頭，所有的讀寫磁頭被固定在唯一的移動(dòng)臂上同時(shí)移動(dòng)，把所有的讀寫磁頭按從上到下的次序從0開始進(jìn)行編號，稱為磁頭號。在磁盤初始化時(shí)把每個(gè)盤面劃分成相等數(shù)量的扇區(qū)，按磁盤旋轉(zhuǎn)的反向從0開始給各扇區(qū)編號，稱為扇區(qū)號。

要確定一個(gè)塊所在的位置，必須給出三個(gè)參數(shù)：柱面號、磁頭號、扇區(qū)號。1/11/2023磁盤的類型1)固定頭磁盤

這種磁盤在每條磁道上都有一讀/寫磁頭，所有的磁頭都被裝在一剛性磁臂中。通過這些磁頭可訪問所有各磁道，并進(jìn)行并行讀/寫，有效地提高了磁盤的I/O速度。這種結(jié)構(gòu)的磁盤主要用于大容量磁盤上。2)移動(dòng)頭磁盤

每一個(gè)盤面僅配有一個(gè)磁頭，也被裝入磁臂中。為能訪問該盤面上的所有磁道，該磁頭必須能移動(dòng)以進(jìn)行尋道?？梢姡苿?dòng)磁頭僅能以串行方式讀/寫，致使其I/O速度較慢；但由于其結(jié)構(gòu)簡單，故仍廣泛應(yīng)用于中小型磁盤設(shè)備中。1/11/2023磁盤訪問時(shí)間啟動(dòng)磁盤執(zhí)行輸入輸出操作時(shí)，要把移動(dòng)臂移動(dòng)到指定的柱面，再等待指定的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭位置下，然后讓指定的磁頭進(jìn)行讀寫，完成信息傳送。因此，執(zhí)行一次輸入輸出所花的時(shí)間有：

1）尋道時(shí)間——磁頭在移動(dòng)臂帶動(dòng)下移動(dòng)到指定柱面所花的時(shí)間。（Seek）2）延遲時(shí)間(Delay)——指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所需的時(shí)間。3）傳輸時(shí)間——由磁頭進(jìn)行讀寫完成信息傳送的時(shí)間。1/11/20235.6.2磁盤調(diào)度1.